操作系统下半年.docx

1、操作系统下半年课程：操作系统适用班级：软件设计师 网络工程师网 址：比特培训中心贵州贵阳目 录第4章操作系统 24.1 操作系统定义与作用 24.2 进程管理 24.2.1 基本概念 24.2.2进程调度 34.2.3 进程的死锁 34.2.4 进程的同步与互斥 54.3 存储管理 74.3.1基本概念 74.3.2 分区存储管理 84.3.3 分页存储管理 94.3.4分段存储管理 104.3.5 虚拟存储管理 114.3.6 工作集 134.4 设备管理 134.4.1 I/O系统的设备控制器 134.4.2 设备独立性 134.4.3设备驱动程序 134.4.4 spooling技术 1

2、34.5 文件系统 144.5.1 文件与文件系统 144.5. 2 文件的物理结构 144.5.3文件目录 174.5. 4文件的共享 194.5.5 文件系统的安全与可靠 194.6 磁盘管理 194.6.1空闲存储空间管理 194.6.2廉价磁盘冗余陈列 204.7 作业调度 214.8操作系统试题部分 22第4章操作系统4.1 操作系统定义与作用1. 操作系统有两个重要的作用：（1）通过资源管理，提高计算机系统的效率 （2）改善人机界面，向用户提供友好的工作环境2操作系统的功能1）进程管理 2）存储管理 3）设备管理 4）文件管理 5）作业管理4.2 进程管理4.2.1 基本概念1.

3、进程程序是静态的概念，是指令的集合。程序是静态的概念，是指令的集合。进程是一个程序关于某个数据集的一次运行，可以和其他程序并发执行的一次执行。即进程是运行中的程序，是程序的一次运行活动。图4.1 程序并行存在的问题进程通常由程序、数据和进程控制块（PCB）组成的。(1)程序:描述了进程需要完成的功能。(2)数据:包括程序执行时需要的数据及工作区。(3)进程控制块:是进程的描述信息和控制信息，由状态、优先级、访问权限等信息组成，是进程动态特性的集中反映，也是进程存在的唯一标志，系统根据PCB感知进程的存在，并且通过PCB中所包含各项信息的变化，掌握进程的状态并控制进程的活动。2. 进程的状态及状

4、态间的切换三态模型在多道程序系统中,有多个进程在并发执行，进程在处理器上交替运行,状态也不断地发生变化,因此进程一般有运行、就绪和阻塞3种基本状态。(1)运行：当一个进程在处理机上运行时,则称该进程处于运行状态。显然对于单处理机系统,处于运行状态的进程只有一个。(2)就绪：一个进程获得了除处理机外的一切所需资源,一旦得到处理机即可运行,则称此进程处于就绪状态。(3)阻塞：也称等待或睡眠状态。在进程执行的过程中，出现了要求的数据尚未到达，或者要求启动某个I/O设备，必须等到I/O操作完成后才能继续执行的这些事件时，由于无法继续执行，进程变调用阻塞原语来把自己阻塞，称该进程处于阻塞状态。图4-2

5、进程调度图4.3 进程的三态模型3. 进程的控制进程的控制就是对系统中所有进程从创建到消亡的全过程实施有效的控制。进程的创建：首先申请一个空白PCB，为新进程所需的程序和数据等分配必要的内存空间，然后初始化PCB内的各项内容，最后将新进程插入到就绪队列。进程的阻塞：在进程执行的过程中，出现了要求的数据尚未到达，或者要求启动某个I/O设备，必须等到I/O操作完成后才能继续执行的这些事件时，由于无法继续执行，进程变调用阻塞原语来把自己阻塞，并插入到到阻塞对列。将处理机分配给另一个就绪进程，并进程切换。进程的唤醒：当被阻塞的进程所期待的事件出现时，则由有关的进程（比如，用完I/O设备的进程）调用唤醒

6、原语Wakeup（），将等待该事件的进程唤醒，状态由阻塞改为就绪，再将该进程插入到就绪队列中。4. 线程传统的进程有两个基本属性：可拥有独立的资源；可独立调度和分配。由于在进程的创建、撤销和切换中，系统必须为之付出较大的时空开销，因此引入线程，将传统进程的两个基本属性分开，线程作为调度和分配的基本单位，进程作为独立分配资源的单位4.2.2进程调度1. 进程调度就是决定就绪队列中哪个进程将获得处理机，然后由调度程序执行把处理机分配给该进程。非抢占式：一旦把处理机分配给某进程后，便让该进程一直执行，直至该进程运行完毕或发生某件事而被阻塞，才把处理机分配给其他进程，决不允许某进程抢占已经分配出去的处

7、理机。抢占方式：这种方式允许调度程序根据某种原则，去停止某个正在执行的进程，将已分配给该进程的处理机，重新分配给另一进程。常用的抢占调度算法类型：（1） 时间片原则。各进程按时间片运行，当一个时间片运行完以后，便停止该进程的执行，而重新调度进程。（2） 优先权原则，指当有更高优先级的进程到来时，强行将正在运行的进程占用的CPU分配给高优先级的进程；例题：在一个单CPU的计算机系统中，有两台外部设备R1、R2和三个进程P1、P2、P3。系统采用可剥夺方式优先级的进程调度方案，且所有进程可以并行使用I/O设备，三个进程的优先级、使用设备的先后顺序和占用设备时间如表3-7所示。表3-7 设备的先后顺

8、序和占用设备时间进程 优先级 使用设备的先后顺序和占用设备时间P1 高 R2(30ms)CPU(10ms) R1(30ms) CPU(10ms)P2 中 R1(20ms)CPU(30ms) R2(40ms)P3 低 CPU(40ms) R1(10ms)假设操作系统的开销忽略不计，三个进程从投入运行到全部完成，CPU的利用率约为_(26)_%；R2的利用率约为_(27)_%（设备的利用率指该设备的使用时间与进程组全部完成所占用时间的比率）。供选择的答案：（26）A.60 B.67 C.78 D.90 （27）A.70 B.78 C.80 D.894.2.3 进程的死锁1. 死锁的概念所谓死锁是多

9、个进程因竞争资源而造成的一种僵局，若无外力作用，这些进程都无法继续运行下去的现象。2. 死锁举例同类资源分配不当引起死锁。若系统中有m个资源被n个进程共享,当每个进程都要求k个资源,而mnk时,即资源数小于进程所要求的总数时,可能会引起死锁。例如：m=5,n3,k=3,若系统采用的分配策略是轮流地为每个进程分配资源,则第一轮系统先为每个进程分配1台,还剩下2台;第二轮系统再为2个进程各分配1台,此时,系统中已无可供分配的资源,使得各个进程都处于等待状态,导致系统发生死锁。问题，若要绝对不发生死锁，最少的资源数量应为多少？应为3. 死锁产生的条件1） 互斥条件：进程对其要求的资源进行排他性控制，

10、即一次只允许一个进程使用，如果又有其他进程要求该资源，请求者只能组赛，直到占有该资源的进程用完释放。2） 请求保持条件：零星地请求资源，即已获得部分资源后，又请求新的资源，而该资源被其他进程占有，此时请求被阻塞，但对已获得的资源保持不放。3） 不可剥夺条件：进程已获得的资源在未使用完之前不能被剥夺，只能在使用完时由自己释放。4） 环路条件：发生死锁时，在进程资源有向图中必构成环路，其中每个进程占有一个进程申请的一个或多个资源。4. 死锁的处理避免策略：精心地分配资源，动态地回避死锁。在避免死锁的方法中，把系统的状态分为安全状态和不安全状态，所谓安全状态，是指系统能按某种顺序（如）来为每个进程分

11、配其所需要的资源，直到最大需求，使每个进程都可顺利完成。称为安全序列；若系统不存在安全序列，则系统处于不安全状态。只要能使系统始终处于安全状态，便可以避免死锁的发生。例子：假定系统有三个进程P1，P2，P3，系统共有12台磁带机，进程P1总共需要10台磁带机，P2P3分别要求4台和9台。设在T0时刻，进程P1、P2和P3分别获得5台、2台和2台，尚有3台未分配，如下表所示：进程最大需求已分配可用P11053P242P392试分析T0时刻的安全序列。银行家算法:该算法对于进程发出的每一个系统可以满足的资源请求命令加以检测，如果发现分配资源后，系统可能进入不安全状态，则不予分配；若分配资源后系统仍

12、处于安全状态，则分配。设P表示进程，R表示系统所拥有的资源，进程P请求某类资源Requestjk，表示进程需要k个Rj类型的资源。在T0时刻存在一个安全序列，系统处于安全状态，当进程P再次发出资源的请求后，系统按下述步骤进行检查：（1）Requesti=Needi，则转向步骤（2），否则认为出错，因为它请求的资源数已经超过它所宣布的最大值。（2）如果RequestiAvailable，则转向步骤（3）；否则，表示系统中尚无足够的资源，Pi必须等待。（3）系统试探把要求的资源分配给进程Pi，并修改系统中的各数值。Available：AvailableRequesti；Allocation：All

13、ocationiRequesti；Needi：NeediRequesti；（4）系统执行安全性算法，检查此次资源分配后，系统是否处于安全状态，若安全，才正式将资源分配给该进程，否则，将试探分配作废，恢复原来的资源分配状态，让该进程Pi等待。例子：操作系统分配资源时的一个重要考虑是避免死锁的发生。若系统中有同类资源16个，由四个进程P1、P2、P3、P4共享。P1、P2、P3、P4所需的资源总数分别为8、5、9、6.各进程请求资源的次序如下，若系统采用银行家算法为他们分配资源，那么_依次申请分配会使系统进入不安全状态。序号进程申请量1P162P243P354P415P116P21供选择答: A.

14、3.4 B.3.5 C.4.5 D.5.64.2.4 进程的同步与互斥1. 进程同步的基本概念在计算机系统中,多个进程可以并发执行,在这些进程之间存在以下两种关系：1）资源共享关系 2）相互合作关系。进程间的互斥：当进程间存在资源共享关系时，如共享CPU等，系统就需要统一的分配资源，保证进程间能互斥的访问这些资源，这种关系就是进程间的互斥。进程间的同步：在相互合作关系的进程间，相互合作的进程需要在某些确定点上协调它们的工作,当一个进程到达了这些点后,除非另一进程已经完成了某些操作,否则就不得不停下来等待这些操作结束。2. 临界资源与临界区管理临界资源：在多道程序系统中,一次只能供-个进程使用的

15、资源,称为临界资源(critical resource，CR)，如打印机。临界区：(critical section,CS)是进程中对临界资源实施操作的那段程序。互斥临界区管理的原则是：(1)有空即进。无进程处于临界区时,允许进程进入临界区,并且只能在临界区运行有限的时间。(2)无空则等。临界区中有进程时,其他欲进入临界区的进程必须等待,以保证进程互斥地访问临界资源。(3)有限等待。对要求访问临界资源的进程,应保证进程能在有限时间进入临界区,以免陷入饥饿状态。(4)让权等待。当进程不能进入自己的临界区时,应立即释放处理机。3. 信号量机制和PV操作1）信号量是一个整型变量,根据控制对象的不同赋

16、不同的值。信号量可分为两类。 公用信号量：实现进程间的互斥,初值为资源的数目。 私用信号量：实现进程间的同步,初值=0或某个整数。2）PV操作PV操作是低级通信原语,在执行期间不可分割。其中,P操作表示申请一个资源,V操作表示释放一个资源。P操作可用如下过程表示:Procedure P (VarS:Semaphore);BeginS:=S-1;If S0 then W(s)执行P操作的进程插入阻塞队列End;V操作可用如下过程表示:Procedure V (VarS:Semaphore);BeginS:=S+1;If S=段表长度时，表示越界。若未越界，则根据段表的起始地址和该段的段号，计算出

17、该段对应段表项的位置，从中读出该段在内存中的起始地址。再检查段内地址是否超过该段的段长。若超过，则越界。若未越界，则讲该段的基址与段内地址相加，形成最终要访问的内存地址。如图。图4-14 分段系统的地址变换过程四、分段和分页的主要区别（1）页是物理单位，提高内存利用率；段是信息的逻辑单位，是一组意义相对完整的信息，是为了满足用户的需要。（2）页的大小是固定的，由系统确定。段的长度不固定，决定于用户编写的程序。（3）分页系统的地址变换简单，只需比较页号是否越界。分段系统需要进行两次越界比较，变换复杂。4.3.5 虚拟存储管理1. 虚拟存储原理基于程序的局限性：(l)时间局限性:如果程序中的某条指

18、令一旦执行,则不久的将来该指令可能再次执行；如果某个存储单元被访问,则不久以后该存储单元可能再次被访问。产生时间局限性的原因是在程序中存在着大量的循环操作。(2)空间局限性：一旦程序访问了某个存储单元,则在不久的将来,其附近的存储单元也最有可能被访问.即程序在一段时间内访问的地址可能集中在一定的范围内,其原因是程序的顺序执行。2. 虚拟存储器定义基于局部性原理，一个作业在运行之前，没有必要全部装入内存，而仅将那些当前要运行的那部分页面或段，先装入内存便可启动运行，其余部分暂时留在磁盘上。程序在运行时如果它要访问的页（段）已调入内存，便可继续执行下去；如果程序所要访问的页尚未调入内存（称为缺页或断页），此时程序应利用OS所提供的请求调页（段）功能，将他们调入内存，以使进程能继续执行下去，如果内存已满，还需利用页面置换功能，将暂时不用的页面调至磁盘上，腾出空间后，再将页面装入内存，继续运行。所谓虚拟存储器，是指仅把作业的一部分装入内存便可运行作业的存储器系统，具有请求调入功能和置换功能，能从逻辑上对内存容量进行扩充的一种存储器系统。3. 请求分页的硬件支持请求分页是在纯分页系统的基础上，增加了请求调页的功能，页面置换的功能等形成的页式虚拟存储系统。1）请求分页的页表机制。 在纯分页的页表机制中增加若干项，如状态位，辅存地址等。